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1、辽宁工程技术大学课程设计1前言变频调速恒压供水系统的控制部分大体上可分为 PLC 控制和单片机控制两种形式，本文介绍一种基于变频器内置 PID 功能的 PLC 控制恒压供水系统，是一典型的对传统水塔供水系统的技术改造，该系统的控制装置采用 PLC 控制器，实现了泵组、阀门的逻辑控制，可完成系统的数字 PID 调节功能，并可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，同时实现系统运行工况的故障报警及打印报表等功能。该自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的管理、监控及经济运行的手段，体现了变频调速恒压供水的技术优势。
2、本设计采用了正弦脉宽调制（SPWM）1控制方式及 PLC 技术实现了供水系统的恒压变量控制。基本原理是通过压力传感器和管网内压力和流量的变化，由微机控制变频器的输出电压和频率，从而控制水泵的转速，使之运行在合理的状态。由于采用了控制水泵的运转速度来调节流量，因此，与其它方法相比，要节约更多的电力。本文提出的全自动调压调速供水系统是采用了调压调速控制器，PLC 闭环控制系统，该装置实现了直接向管网供水，适应供水管网水量的变化，通过压力给定和压力传感器检测的压力之差，构成控制量 PLC 的运算，判断自动调节电机和水泵转速，以达到实现恒压供水。以正弦波作为逆变输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等
3、腰三角波作为载波，并 用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆 变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列 等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦 波的面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效这种调制方式称作正弦波脉宽 调制，这种序列的矩形波称作 SPWM“姓名”： 基于变频器 PID 功能的 PLC 控制变频恒压供水系统21 设计目的 变频恒压供水方式（简称变频供水）在一定的使用条件下具有节能效果，但实际乱用变频供水，盲目宣传节能效果，致使其非但不节能反而出现浪费能量的情
4、况屡见不鲜。如何正确理解变频供水的运行机理，掌握变频供水的使用范围，避免能源浪费，是当今建设节约型社会亟待解决的问题之一。控制水泵运转，实质上就是交流电机变频调速的控制。是当代交流调速新技术，它采用了正弦脉宽调制（SPWM）控制方式及单片机技术。是集机械、电气、微机控制于一体的高科技的应用。恒压供水是指在供水网系统中用水量发生变化时，出口压力保证不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户的需求确定的。这些方式实用可行，因此应用广泛。在供水系统中，用户用水量往往是随机变化的，而投运水泵的台数和水泵的转速不随用户水量变化，负荷低峰时将引起电能的浪费，管网压力大时将损坏管网及其附属设备，采用变频调
5、速、微电脑控制器及逻辑控制元件可以达到管网恒压变量供水。供水系统的设计，要考虑到一天中的用水量的变化，和一年中用水的高峰期，总体说来，用水量是一个不断变化的过程，供水系统各种各样，但基本的说来是电机带动水泵进行供水，这就要求对电机的转速加以控制，使之达到能够满足用水量同时又节能的要求，即恒压供水。由于供水方式的不同，有的技术指标虽然很高，但是经济指标很高。本文提出的全自动调压调速供水系统是采用了调压调速控制器，PLC 闭环控制系统，该装置实现了直接向管网供水，适应供水管网水量的变化，通过压力给定和压力传感器检测的压力之差，构成控制量在可编程序控制器里，判断自动调节电机和水泵转速，以达到实现恒压
6、供水。辽宁工程技术大学课程设计32 设计方案 2.1 系统的主要要求(1)供水系统是一个自动控制系统，在保证最高楼层供水条件下，使水压维持恒压给定值。(2)系统控制应有实测压力显示和各种工况指示；(3)系统能随时中断处理一些紧急事件，如管道漏水等；(4)系统能实现实时供水和连续供水；(5)系统具有超压，电机断相和短路等保护和报警功能；(6)系统具有手动和自动切换开关；(7)按使用情况，系统至少应满足最高楼层最大供水的要求。2.2 系统供水图如图 1 所示，为变频恒压供水的系统图。“姓名”： 基于变频器 PID 功能的 PLC 控制变频恒压供水系统42.3 系统的工作原理2.3.1 供水系统网管
7、图该系统应用于一多层商用楼，楼高 10 层，底部 3 层为商用，改造后的无塔恒压供水系统网管图见图 2。从图中可看出，该恒压供水系统 1 层至 3 层由市政直接供水，4 层至 10 层恒压供水。原在楼顶建有一座 80m3 的高位水池进行传统的二次供水，现改造为消防供水，供水设备为两台 50DLl212 米离心清水泵。市政供水中断后，连接恒压供水与市政水的电动箱自动打开，原市政供水部分 13 楼改由恒压供水系统供水。 2.3.2 控制系统的组成 恒压供水是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样即可满足各楼层的住户对水压的要求，又不使电机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，恒压供
8、水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，差值由系统运算处理后，发出控辽宁工程技术大学课程设计5制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。 控制系统由一台三菱 FR-A540 型变频器、一台三菱 FX2N-32MR-00l 可编程控制器、压力传感器、显示报警装置及 2 台 50DLl212 米
9、离心清水泵和电气控制柜组成。其中，FX2N-32MR-001 作为主控基本单元，它共有 32 个 I0 口，16 个开关量输入口，16 个输出口，存储容量大(16k)、运行速度快(基本指令 O08ps指令)、通过 RS232C 通信板可与个人电脑连接，在线改变程序不会损失工作时间或停止设备运转4，程序设计调试方便，可为恒压供水系统的应用提供最大的灵活性和控制能力2。 控制系统通过由安装在管网上的压力传感器和变送器，将水管出水口压力测出，并将压力信号转换成 4-20mA 标准电流信号，直接送到变频器，与所设定的压力信号进行比较，得出偏差，其偏差值由变频器内部 PID 调节器，按预先规定的调节规律
10、进行运算得出调节信号，从而使变频器输出为连续可调电压与频率的交流电，供给水泵电机来进行变频调速，同时 PLC 利用变频器在运行时所输出的状态信号来控制备用泵的投入和工频泵的自动切除。控制系统详见图 3。 2.3.3 系统工作过程 “姓名”： 基于变频器 PID 功能的 PLC 控制变频恒压供水系统6本系统整个工作过程采用“先起先停，后起后停”的循环工作过程，使各水泵轮流休息及软起动。具体过程如下： 开始时先起动 1#泵变频运行，水泵的转速达到变频器设定的上限频率 48Hz，水压还没有达到所设定值，即一台水泵变频运行无法满足流量要求时，PLC控制器自动把变频运行泵切换到工频运行，同时 2#号泵变
11、频起动运行，满足用户大量用水的需求。 当用水量减少，压力还偏高时，要求自动切除工频运行水泵，恢复一台变频水泵运行到稳定状态，实现“先起先停，后起后停”。 定时自动切换 在系统设计时，为了避免一台泵经常工作，而另一台泵经常停歇，甚至春季受潮和生锈的情况，在电路中设计了泵组定时轮换功能。如遇两台泵在运行时(一台变频运行和一台工频运行)定时转换功能无效，转换时仅限于在一台水泵变频运行的状态下进行。 每台水泵的变频运行和工频运行要有电气互锁，两台水泵均能手动独立运行。 应有相关的保护措施，如为了避免加压泵出现缺水时水泵空转而造成损坏在回路中加入了水池低水位报警、停机保护。电气具有缺水保护，停电后恢复辽
12、宁工程技术大学课程设计7自动起动。 系统工作过程如图 4 所示。 2.3.4 供水压力信号检测及设定 根据供水系统的最大流量要求，选择相应压力范围的压力传感器，并能实现被测信号的远距离传输。本系统选用型号 MPX7000 压力传感器、XTRl01 双线变送器，压力范围 0-20MPa，能够满足供水网管的压力要求，并将其压力信号转换成相对应的 420mA 电流信号，直接送给变频器。通过现场调试，观察水泵出水口上的压力和十层用水最不利点上的压力能不能达到住户的要求。经过反复的试验，最后把变频器的设定压力设定在 046MPa，十层用水最不利点的压力为 023MPa 可以满足住户的用水要求。 2.3.
13、5 变频器的频率参数、PID 参数设定 变频器的参数设定有一定规律可循，主要从供水系统的特性、水泵为平方律负载等方面来考虑，变频器的参数设定注意如下几点： 最高频率：水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方律增加。因此变频器的工作频率不允许超过额定频率，最高只能和额定频率相等。 “姓名”： 基于变频器 PID 功能的 PLC 控制变频恒压供水系统8上限频率：一般来说，以等于额定频率为宜，但变频器内部往往具有转差补偿功能，因此也可设置略低些。 下限频率：在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成“水泵”空转的现象。所以，下限频率不宜太低。 PID 参数 PID
14、参数的选择，须保证系统运行稳定、动态响应快、静差小。调试中，要观察供水系统压力检测点的实际测量值，维持系统的稳定性。PID 参数可按表 1设置。3 设计原理控制水泵运转，实质上就是交流电机变频调速的控制。是集机械、电气、微机控制于一体的高科技的应用。由于它可以直接取代水塔、高低位水箱及传统的气压罐水装置，从而为局部加压供开辟了新的途径，将现代高科技引用到了供域。从控制系统方框图可知，FRP 管道就是用户，当用户不断用水时，其用水量不断发生变化，通过传感器知，测得的数据反馈给 PID 控制器，此数据与预先给定之数据相比较，驱控制变频器工作。通常自动闭环调整回路调整基点为由运行的压力值 H（由压力
15、变送器提供）参考压力值 H。 （调节器内设定）比较，所产生的误差转换为电信号经滤波送调节器内进行 PID 运算，其结果转换为适当的调整和控制信号送执行部件进行控制，以达到运行压力值 H 在任何流量状态始终同于设定的以大专生压力值 H。在恒压变量供水状态，H0值经设定后不再变化。根据管网运行特性，管网末梢压力 = 出口压力 管网阻力，而管网阻力辽宁工程技术大学课程设计9又随流量成一定比例关系，因此，达到最佳节能供水状态所设定的参考压力值H0，应随流量增加而加大。改变电动机的定子电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变转速，在电力电子技术的发展下，交流调压调速发展到现在的晶闸管交流调压调速，即
16、在恒定交流电源与负载电路之间接入晶闸管作为一种交流电压控制器。本设计用的就是 SVK 系列的晶闸管三相交流调压调速控制器。其工作原理是按相位控制的方式，根据电压有效值的改变而实现对负载的调压。在本设计中，我们是用电动机带动水泵提水，那么水泵就是负载，水泵的机械特性即负载机械特性是 MC2n，为了明白理解使用调压调速的合理性，我们把电动机的机械特性和负载机械特性画在同一坐标图上(图 3)。“姓名”： 基于变频器 PID 功能的 PLC 控制变频恒压供水系统10由图 6 所示，我们可知道异步机的机械特性可视为两部分组成：当 MMe时，为直线部分，电机不论带动何种负载均能运行；当 SSm时，为曲线部分，对于恒转矩负载或恒功率负载而言，此为非工作部分，对于通风机负载却能稳定运行。我们以 C 点分析为例，C 点为两特性曲线的交点，显然在 C 点所对应的转速之上有 MMz，而在这一转速之下则 MMz，特性这样的配合，保证系统有恢复原转速的能力，即系统能稳定运行。4 算法的选择和实现4.1
